projeto de edifÍcio em estrutura metÁlica...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS

ESCOLA DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

PROJETO DE EDIFÍCIO EM ESTRUTURA

METÁLICA: CONSUMO DE AÇO NA

METODOLOGIA DA NBR 8800:2008 E NO

SOFTWARE CYPE3D®

Yago Martins Queiroz

GOIÂNIA

2018

Yago Martins Queiroz

PROJETO DE EDIFÍCIO EM ESTRUTURA

METÁLICA: CONSUMO DE AÇO NA

METODOLOGIA DA NBR 8800:2008 E NO

SOFTWARE CYPE 3D

Monografia apresentada na Disciplina Trabalho de Conclusão de

Curso II, do Curso de Graduação em Engenharia Civil da Escola

de Engenharia Civil e Ambiental (EECA) da Universidade

Federal de Goiás.

Orientador: Prof. Dr. Ariovaldo Fernandes de Almeida

GOIÂNIA

2018

1 Projeto de edifício em estrutura metálica: consumo de aço na metodologia da NBR 8800:2008 e no Software(...)

Y. M. QUEIROZ

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Perda de espessura em ambiente industrial agressivo ........................................... 11

Figura 2.2 - Comportamento dos aços A36 e A242 quando submetidos a tensões .................. 13

Figura 2.3 - Detalhes para prevenir a corrosão de estruturas expostas às intempéries ............. 14

Figura 2.4 - Detalhes de um laminador de tiras a quente ......................................................... 15

Figura 2.5 - Fases sucessivas e progressivas de laminação dos perfis, a partir do bloco ou tarugo

.................................................................................................................................................. 16

Figura 2.6 - Perfis de chapa dobrada: (a) perfil U; (b) perfil complexo; (c) perfil S; (d) perfil Z

.................................................................................................................................................. 17

Figura 2.7 - Perfis de compostos de chapas (perfis soldados) ou perfis laminados ................. 18

Figura 2.8 - Diagrama Tensão Deformação de um aço ............................................................ 19

Figura 2.9 - Diagrama de tensão deformação para os aços ASTM A36, A242, A325 e A490

.................................................................................................................................................. 19

Figura 2.10 - Componentes estruturais típicos de um edifício ................................................. 21

Figura 2.11 - Exemplo de uma sistemas estruturais planos ...................................................... 21

Figura 2.12 - Exemplo de uma treliça plana ............................................................................. 22

Figura 2.13 - Tipos de estruturas de edifícios: (a) pórtico com ligações rígidas entre vigas e

pilares; (b) estrutura com ligações viga-pilar flexíveis ............................................................. 22

Figura 2.14 - Tipos de treliçado vertical para contraventamento: (a) em X; (b) em K ............ 23

Figura 2.15 - Exemplo do carregamento sobre uma placa ........................................................ 24

Figura 3.1 - Mapa de Isopletas para o território brasileiro ....................................................... 26

Figura 3.2 - Elementos tracionados na estrutura ....................................................................... 28

Figura 3.3 - Colunas e seu exemplo de flambagem .................................................................. 29

Figura 3.4 - Diagrama esquemático da soldagem ..................................................................... 31

Figura 3.5 - Ligações em edificações ....................................................................................... 32

Figura 3.6 - Bases rotuladas ..................................................................................................... 33

Figura 3.7 - Bases engastadas ................................................................................................... 33

Figura 4.1 - Fluxograma da metodologia do projeto ................................................................ 34

Figura 5.1 - Características do Edifício analisado .................................................................... 39

Figura 5.2 - Estrutura do edifício .............................................................................................. 40

Figura 5.3 - Diagrama de momento fletor para o eixo B .......................................................... 41


Y. M. QUEIROZ

Figura 5.4 - Diferentes tipos de perfis em uma viga ................................................................. 42

Figura 5.5 - Perfis que não atendem aos ELU e ELS ............................................................... 42

Figura 5.5 - Ligações que não atendem aos ELU e ELS .......................................................... 43


Y. M. QUEIROZ

LISTA DE QUADROS


Y. M. QUEIROZ

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Propriedades Mecânicas de Aços-carbonos ............................................................ 10

Tabela 2 - Propriedades Mecânicas de Aços de Baixa Liga ..................................................... 12

Tabela 3 - Propriedades Mecânicas de Aços-carbonos ............................................................. 32

Tabela 4 - Valores de coeficientes de ponderação das ações permanentes .............................. 33

Tabela 5 - Valores do valor ψo ................................................................................................. 33

Tabela 6 - Detalhes Geométricos da Estrutura ......................................................................... 35

Tabela 7 - Especificações dos Materiais ................................................................................... 35

Tabela 8 - Cargas Permanentes nos Pavimentos ....................................................................... 36

Tabela 9 - Cargas Acidentais nos Pavimentos .......................................................................... 36

Tabela 10 - Cargas Acidentais nos Poços de Elevador e Escada .............................................. 37

Tabela 11 - Cargas de Vento na Estrutura ................................................................................ 37

Tabela 12 - Tabela resumo dos materiais obtido pelo Cype3D® ............................................. 44

Tabela 13 - Tabela resumo dos materiais obtido pelo Anexo D da Metodologia .................... 44

Tabela 14 - Resultados: peso e taxa de consumo de aço .......................................................... 45


Y. M. QUEIROZ

LISTA DE ABREVIATURAS

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas;

AISC - American Institute of Steel Construction.

AWS - American Welding Society

CBCA - Centro Brasileiro de Construção em Aço;

CSA - Canadian Standards Association;

EM - European Standards;

ELS - Estado Limite de Serviço;

ELU - Estado Limite de Último;

IBS - Instituto Brasileiro de Siderurgia;


Y. M. QUEIROZ

LISTA DE SIMBOLOS

σ - Tensão;

ε - Deformação;

Kg - Kilograma;

T - Tonelada;

D - Diâmetro;

% - Porcentagem;

Fu - Resistência à Ruptura;

Fy - Limite de Escoamento;

Fck - Resistência Característica do Concreto;

“ - Polegada;

M - Metro;

CM - Centímetro;

MM - Milímetro;

M² - Metro Quadrado;

M³ - Metro Cúbico;

N - Newton;

kN - Kilo Newton;

Pa - Pascal;

MPa - Mega Pascal;


Y. M. QUEIROZ

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 8

1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS SOBRE O PROJETO DE EDIFICIOS EM AÇO ........ 8

1.2. OBJETIVOS .......................................................................................................................... 9

1.2.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................... 9

1.3. JUSTIFICATIVA .................................................................................................................. 9

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................... 10

2.1. AÇOS ESTRUTURAIS ...................................................................................................... 10

2.1.1. Aço carbono ................................................................................................................. 10

2.1.2. Aços de baixa liga ........................................................................................................ 11

2.1.3. Aços com Tratamento Térmico .................................................................................. 12

2.2. PROPRIEDADES DOS AÇOS .......................................................................................... 12

2.2.1. Ductilidade ................................................................................................................... 12

2.2.2. Dureza .......................................................................................................................... 13

2.2.3. Corrosão ....................................................................................................................... 13

2.3. PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS ........................................................... 15

2.3.1. Perfis Laminados ......................................................................................................... 15

2.3.2. Perfis de chapa dobrada ............................................................................................. 16

2.3.3. Perfis soldados e compostos ........................................................................................ 17

2.4. Diagramas Tensão deformação .......................................................................................... 18

2.5. SISTEMAS ESTRUTURAIS EM AÇO ............................................................................ 20

2.5.1. Elementos estruturais ................................................................................................. 20

2.5.2. Sistemas planos de elementos lineares ....................................................................... 21

2.5.3. Sistemas de pórticos para edificações ........................................................................ 22

2.5.4. Sistemas de pisos para edificações ............................................................................. 23

3. AÇÕES NAS ESTRUTURAS .................................................................................................... 24

3.1. Cargas Permanentes ........................................................................................................... 24

3.2. Cargas Acidentais ................................................................................................................ 25

3.3. Cargas de Vento .................................................................................................................. 25

3.4. Combinações de Ações ........................................................................................................ 26

3.5. PEÇAS TRACIONADAS ................................................................................................... 28

3.6. PEÇAS COMPRIMIDAS ................................................................................................... 29


Y. M. QUEIROZ

3.7. LIGAÇÕES .......................................................................................................................... 30

3.7.1. Ligações parafusadas .................................................................................................. 30

3.7.2. Ligações soldadas ........................................................................................................ 31

3.7.3. APOIOS........................................................................................................................ 32

4. METODOLOGIA ....................................................................................................................... 34

4.1. Caracterização do edifício e dados inseridos .................................................................... 35

4.2. Abordagem via Cype3D® ................................................................................................... 37

5. ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................... 39

5.1. Resultados via Cype3D® .................................................................................................... 40

5.2. Resumo dos Materiais ......................................................................................................... 43

5.3. Comparativo do Consumo de Aço ..................................................................................... 45

6. CONCLUSÃO ............................................................................................................................. 46

ANEXO A ............................................................................................................................................ 47

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................................. 76


Y. M. QUEIROZ

1. INTRODUÇÃO

1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS SOBRE O PROJETO DE

EDIFICIOS EM AÇO

De acordo com Bellei, Pinho e Pinho (2008), as estruturas de aço têm como vantagens:

1. Alta resistência em comparação com outros materiais;

2. O aço é um material homogêneo com a produção controlada;

3. O efeito de escala da produção industrializada das estruturas favorece os menos prazos

e custos;

4. As estruturas permitem serem reforçadas para aumentar o seu desempenho;

5. Os materiais que não são mais necessários na construção podem ser facilmente

reaproveitados;

6. Menores prazos de execução quando comparado com outros materiais.

Atualmente no Brasil a maior parte das construções de aço são de estruturas simples, tipo

galpão, com coberturas e estruturas de um único pavimento. Essas são soluções práticas que

devido ao seu baixo custo e rápida execução são bastante recomendadas em oficias, fábricas,

depósitos, ginásios, supermercados atacadistas, entre outros. Mas com as peças de perfis

laminados, esse uso pode ser expandido para edifícios de múltiplos pavimentos em estrutura

metálica.

Um edifício com estrutura metálica é recomendando quando se tem um objetivo de vencer

grandes vãos consumindo pouco material estrutural, e pela sua rapidez na execução, pela

praticidade, uma vez que as peças são entregues no canteiro de obras já prontas para serem

instaladas, reduzindo assim os custos com o desperdício de materiais.

Quando se escolhe realizar um edifício em estrutura metálica, a quantidade total de aço utilizado

obra é um fator determinante para o seu custo benefício, tendo em vista que o preço dos perfis

em aço e das chapas utilizado em estruturas é em torno de R$ 6,05/kg (Cotação feita na Filial

Gerdau Aparecida de Goiânia no dia 16/11/2018). Este trabalho tem o intuito de comparar a

quantidade de aço calculada pelo dimensionamento de um edifício de 8 pavimentos em

estrutura de aço presente no Anexo D do livro dos Professores ldony, Fernando e Mauro,

Edifícios de Múltiplos Andares em Aço, com o dimensionamento feito no software de

dimensionamento da empresa CYPE®, o Cype3D®.


Y. M. QUEIROZ

1.2. OBJETIVOS

Comparar o consumo de aço em um edifício de 8 pavimentos feito no Anexo D do livro dos

Professores ldony, Fernando e Mauro, com o dimensionamento realizado no software Cype3D®,

e verificar qual das metodologias obteve um resultado mais econômico na quantidade de aço.

1.2.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Aprender a metodologia de dimensionamento estrutural do Software Cype3D®;

• Projetar um edifício de 8 pavimentos, com 6 pórticos espaçados de 6,00 metros, com o

pé direito de 3,00 metros. Cada pórtico possui 4 pilares espaçados de 6,00 metros cada,

constituindo 3 vãos livres.

• Verificar o consumo de aço para o dimensionamento realizado no software Cype3D®,

levantando um quantitativo de material utilizado, e comprar com o resultado obtido no

livro Edifícios de múltiplos andares em aço. 2.ed.

• Apresentar uma nova perspectiva para o dimensionamento de estruturas feito com a

assistência de um software.

1.3. JUSTIFICATIVA

A tecnologia está cada vez mais presente no nosso dia a dia, novos computadores, softwares e

aparelhos são desenvolvidos e lançados em uma velocidade incrível, devemos utilizar de todos

esses benefícios, principalmente na engenharia, ao máximo para extrair a maior vantagem

disponível.

De acordo com Kimura (2018), a informática veio para aperfeiçoar a engenharia de estruturas,

e jamais substitui-la, o software é uma ferramenta auxiliar e todo o sistema computacional deve

estar baseado em formulações teóricas e consistentes. Mas devido ao alto grau de complexidade

e sofisticação das análises disponíveis nos programas atuais o verdadeiro papel do computador

acaba sendo confundido, e deve caber ao engenheiro utilizar as ferramentas computacionais

sabendo distinguir os benefícios e suas limitações.

A escolha do software para este projeto, o Cype3D ®, se deu em decorrência da sua facilidade

em utilização, com as suas interfaces bastante intuitivas e interativas, por ser desenvolvido por

uma empresa de grande renome internacional, a CYPE®, que atualiza a sua plataforma

constantemente para se adequar às regulamentações brasileiras, e principalmente pela sua

difusão dentro do mercado brasileiro devido ao seu custo-benefício.


Y. M. QUEIROZ

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. AÇOS ESTRUTURAIS

A aço é uma liga que consiste quase totalmente de ferro (98%), com adições de outros

compostos, como o carbono, enxofre, zinco, silício, etc. A adição do carbono na liga é o que

garante o maior efeito das propriedades do aço. As propriedades do aço são bem definidas,

sendo elas a alta resistência mecânica quando comparado com outros materiais, a ductilidade,

que é a capacidade do aço tem de sofrer deformações antes de se romper.

Os aços que são utilizados em estruturas são divididos em dois grupos: aços carbonos e aços de

baixa liga.

2.1.1. Aço carbono

Este tipo de aço é o mais utilizado, pois a adição do aço na liga promove um aumento de

resistência em relação ao ferro puro. Nas estruturas usuais de aço, utilizam-se um teor de

carbono de no máximo 0,45%, para que a liga possua uma boa soldabilidade.

Se for adicionado um teor de carbono maior que 0,45%, a resistência e a dureza serão elevadas,

porém, o aço se tornará mais quebradiço, com pouca ductibilidade e a sua soldabilidade

diminuirá consideravelmente.

Os principais tipos de aço carbono são os definidos pela ABNT, ASTM e pelas normas

europeias EN, e estão apresentados na tabela 1.

Tabela 1 Propriedades Mecânicas de Aços-carbonos

(Fonte: PFEIL; PFEIL, 2010)

Especificação Teor de carbono %

Limite de escoamento

fy (Mpa)

Resistência à ruptura

fu (Mpa)

ABNT MR250 baixo 250 400

ASTM A7 242 370-500

ASTM A36 0,25-0,29 250 (36 ksi) 400-500

ASTM A307 (parafuso) baixo - 415

ASTM A325 (parafuso) médio 635 (min) 825 (min)

EM S235 baixo 235 360


Y. M. QUEIROZ

2.1.2. Aços de baixa liga

Os aços de baixa liga são os aços carbono com adição de componentes como o cobre, silício,

manganês, etc., que em pequenas quantidades trazem um aumento de resistência do aço, através

da modificação da sua estrutura. Graças a esses elementos, podemos obter uma resistência

elevada utilizando-se um teor de carbono na ordem de 0,20%, o que permite uma boa

soldabilidade (BELLEI, 2010).

Com a adição de outros componentes, como o cromo, níquel, cobre, alumínio, esses aços podem

ter a sua resistência a corrosão atmosférica, sendo também chamados de aços patináveis,

conforme podemos identificar na Figura 2.1 a seguir, que mostra que os aços carbonos com

adição de outros componentes tendem a ter menor redução de espessura em ambientes mais

corrosivos.

Figura 2.1 - Perda de espessura em ambiente industrial agressivo

(Fonte: BELLEI, 2010)

Os aços patináveis também possuem uma característica de terem propriedades mecânicas em

comparação com outros tipos de aços. A tabela 2 mostra algumas propriedades mecânicas

desses tipos de aços.


Y. M. QUEIROZ

Tabela 2 Propriedades Mecânicas de Aços de Baixa Liga


2.1.3. Aços com Tratamento Térmico

As ligas de aço podem ter as suas resistências aumentadas com alguns tipos de tratamento

térmico. Porém a sua soldagem é mais difícil, o que leva a fazer o seu uso pouco usual em

estruturas correntes.

Já na utilização de alguns parafusos de alta resistência são empregados modelos fabricados de

aço carbono sujeitos a tratamentos térmicos, como por exemplo os parafusos de especificação

ASTM A325.

2.2. PROPRIEDADES DOS AÇOS

As propriedades mecânicas são as características mais importantes para os aços, dentro da sua

aplicação no campo da engenharia. Suas propriedades mecânicas irão definir o comportamento

dos aços quando submetidos a esforços mecânicos e correspondem a sua capacidade em resistir

e transmitir as tensões aplicadas, evitando a sua ruptura ou excesso de deformação.

2.2.1. Ductilidade

De acordo com Dias (2015), ductilidade é a capacidade de se deformar plasticamente sem se

romper. O aço quando é sujeito a tensões elevadas sofre deformações para resistir às tensões

aplicadas, e quando maior for a ductibilidade do material, mas ele irá se alongar ou reduzir a

sua área antes da ruptura.

Em prática isso é um aviso se segurança para a existência de elevadas tensões na estrutura.

Na Figura 2.2 podemos ver o comportamento de dois tipos de Aço, o A242 e o A36 quando se

é aplicado tensões (σ), medindo o seu escoamento em porcentagem do comprimento total (ε).

Especificação Principaos elementos de liga

Limite de escoamento

fy (Mpa)

Resistência à ruptura

fu (Mpa)

ASTM 572 Gr.50 C < 0,23% Mn < 1,35% 345 450

ASTM A588 C < 0,17% Mn < 1,2% Cu < 0,50% 345 485

ASTM A992 C < 0,23% Mn < 1,5% 345 450


Y. M. QUEIROZ

Figura 2.2 Comportamento dos aços A36 e A242 quando submetidos a tensões


2.2.2. Dureza

A dureza é a denominação que se dá para a resistência ao risco ou a abrasão. Essa propriedade

se é medida por ensaios que caracterizam a resistência que o material tem pela penetração de

outro material de maior dureza. De acordo com Dias (2015 p.27) esse ensaio é um dos meios

existentes para se verificar explicitamente a resistência do aço.

2.2.3. Corrosão

A corrosão é o processo em que alguns elementos presentes no ambiente reagem com o aço,

promovendo a perda da seção da área de aço, o que pode vir a levar a estrutura a ruína. Dias

(2015, p. 139) destaca que “corrosão é definida como o conjunto de alterações físico-químicas

que uma substância sofre pelas ações de determinados reagentes na natureza.”

Para se evitar que o aço corroa mais do que o esperado, algumas medidas podem ser adotadas,

conforme ilustrado na Figura 2.3 a seguir, é recomendado evitar o contato entre metais

diferentes, como por exemplo o aço e o alumínio, pois a estrutura molecular dos materiais

podem favorecer a transferência de elétrons, contribuindo assim para o aumento da oxidação

dos materiais.


Y. M. QUEIROZ

Figura 2.3 Detalhes para prevenir a corrosão de estruturas expostas às intempéries


Alguns aços já possuem em sua estrutura componentes que auxiliam na proteção contra a

corrosão em ambientes agressivos, entre eles, pode se destacar o aço patinável, a sua grande

vantagem em relação aos outros tipos de aços carbono está na maior resistência mecânica à

corrosão, devido a adição de outros elementos de liga, como obre, níquel, cromo, silício e,

eventualmente, fósforo, correspondendo, aproximadamente, a 3-5% da composição.

O aço patinável, como possui outros elementos em sua composição, que reagem ao oxigênio

no ambiente com maior facilidade do que o ferro na composição, é formada uma camada de

material oxidado em sua superfície, a Pátina, que se transforma em uma proteção natural

evitando a evolução da corrosão, ainda podendo ser usada como uma textura externa, por ter

uma aparência alaranjada não necessita de pinturas (PFEIL; PFEIL, 2010)


Y. M. QUEIROZ

2.3. PRODUTOS SIDERÚRGICOS ESTRUTURAIS

De acordo com Maciel e Rocha (2003), o setor da economia que mais consome aço é a

construção civil. No ano de 2000, o esse consumo correspondeu por mais de 31% do total. É

uma fatia grande e crescente, cuja tendência tende a expandir com as vantagens e as aplicações

de alto desempenho que o aço pode oferecer à construção civil. As inovações tecnológicas que

foram introduzidas no processo siderúrgico trouxeram para o processo de fabricação, uma

economia dos custos totais, melhor qualidade e redução de prazos, fazendo o aço ter suas

vantagens cada vez mais reconhecidas, e atendendo aos desejos da construção civil.

2.3.1. Perfis Laminados

A laminação é o processo que dá forma ao aço, ela consiste pela redução da área da seção

transversal alongando o produto, que veio do processo de lingotamento, para conformá-lo na

forma desejada (barras, perfis, chapas, etc.).

O processo de laminação ocorre quando o produto que veio do lingotamento passa pelos rolos

de laminação, que aplicam pressão de compressão para reduzir a sua seção, na figura 2.4 a

seguir temos um exemplo de um processo de laminação de tiras a quente. Na laminação a frio,

o processo é o mesmo, a diferença é que o produto que entra no laminador está com

temperaturas reduzias.

Figura 2.4 Detalhes de um laminador de tiras a quente.

(Fonte: DIAS, 2015)


Y. M. QUEIROZ

Os perfis laminados são produzidos através da laminação à quente, com as seções transversais

dos laminadores em formato de “I” e “H”. A limitação para a altura da seção depende do tipo

de laminador que está sendo utilizado, sendo esse tamanho variando de 200mm até

aproximadamente 600mm (BELLEI, 2010). Todo o processo de laminação ocorre em várias

etapas, com o bloco de aço entrando pelo laminador e sendo progressivamente prensado até se

obter o perfil desejado.

Figura 2.5 Fases sucessivas e progressivas de laminação dos perfis, a partir do bloco ou tarugo.

(Fonte: DIAS, 2015)

2.3.2. Perfis de chapa dobrada

As chapas metálicas podem ser dobradas depois de frias, se tornando os perfis de chapas

dobradas. O procedimento de dobra é feito em prensas especiais, que contém as formas com os

raios para dobras delimitados para o tipo de perfil desejado.


Y. M. QUEIROZ

As normas de projetos para a fabricação e execução destes tipos de perfis são regulamentadas

pelo American Iron and Steel Institute (AISI) e NBR 14762:2010 - Dimensionamento de

estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio. Essas normas também recomendam

que a espessura das chapas a se utilizar sejam de pelo menos 3 mm, pois valores de espessuras

menores que estes podem levar a instabilidades estruturais que não se encontram nos perfis

laminados.

Na figura 2.6 a seguir, podemos ver os principais tipos de perfis adotados no mercado.

Figura 2.6 Perfis de chapa dobrada: (a) perfil U; ( b ) perfil complexo; (c) perfil S ; (d) perfil Z.

(Fonte: PFEIL, PFEIL, 2010)

2.3.3. Perfis soldados e compostos

As limitações impostas pelas máquinas de laminação deixam de existir se adotarmos os

processos de solda para a confecção dos perfis. Geralmente este tipo de perfil se é utilizado em

casos extremos quando não se encontram os perfis laminados disponíveis no mercado.

Com a evolução dos processos as soldas automatizadas, os processos de associação de chapas

e de perfis conseguem ser competitivos em escala industrial e se obtém uma boa qualidade de

execução.

A NBR 5884:2013 definiu três tipos de perfis soldados, sendo eles os Perfis CS (coluna

soldada), VS (viga soldada) e CVS (colunas e vigas soldadas). Na figura 2.7 podemos ver perfis

compostos pela associação de chapas (a) e pela associação de perfis laminados simples (b, c e

d).


Y. M. QUEIROZ

Figura 2.7 Perfis de compostos de chapas (perfis soldados) ou perfis laminados.


2.4. Diagramas Tensão deformação

A partir de um simples ensaio de tração em uma peça de aço, é possível se obter os valores

característicos para as tensões (σ) e deformações (ε) do aço. Este tipo de ensaio se aplica uma

força de ração crescente em uma barra de aço, que irá sofrer uma deformação em forma de

alongamento do seu comprimento, deformação essa que é correspondente ao esforço

submetido.

De acordo com Dias (2015), dentro do limite de deformação se pode observar algumas fases

deste processo, sendo elas:

• A fase elástica é a primeira parte do ensaio (trecho retilíneo), em que a deformação da

peça segue os princípios da lei de Hooke, ou seja, ela é proporcional ao esforço aplicado. O

valor da constante nessa fase é chamado de módulo de elasticidade;

• A fase plástica é aonde se ocorrem as deformações crescentes sem variar a tensão

(patamar de escoamento), e o valor da constante nessa fase é chamado de limite de escoamento;

• Após o escoamento, mas ainda na fase plástica, a estrutura interna do aço se rearranja e

passa pelo encruamento, aonde se verifica novamente a variação da deformação com a tensão.

Porém dessa vez essa relação não é linear;

Na figura 2.8 mostra o aspecto geral do diagrama tensão deformação para o aço.


Y. M. QUEIROZ

Figura 2.8 Diagrama Tensão Deformação de um aço.

(Fonte: DIAS, 2015)

Realizando-se esse tipo de ensaio para vários tipos de aço, se obtém o diagrama tensão

deformação correspondente, conforme indicado na Figura 2.9.

Figura 2.9 Diagrama de tensão deformação para os aços ASTM A36, A242, A325 e A490.



Y. M. QUEIROZ

2.5. SISTEMAS ESTRUTURAIS EM AÇO

O cálculo das estruturas reais é muito complexo e trabalhoso, por isso se utilizam os modelos

simplificados dos sistemas estruturais. Com o avanço da capacidade de processamento dos

computadores e a maior precisão dos softwares, os modelos teóricos têm se comportado cada

vez mais como as “situações reais”, e os sistemas estruturais podem ser analisados com uma

maior complexidade, aumentando a segurança de projeto e trazendo benefícios para o canteiro

de obras.

A escolha do sistema estrutural que irá sustentar o edifício é importante para os aspectos

quantitativos de consumo de aço no final da obra, e irá facilitar a fabricação e a montagem dos

elementos, reduzindo o custo total do empreendimento.

De acordo com Bellei, Pinho e Pinho (2008), quando se pode utilizar contraventamentos

verticais para dar estabilidade às cargas horizontais, podemos fazer o resto da estrutura trabalhar

de forma mais simples com maior números de ligações flexíveis e explorando ao máximo as

vigas mistas, tornando a estrutura mais leve e fácil de se montar. Ao contrário, quando se é

impedido a utilização de contraventamentos, é necessário a aporticação da estrutura, resultando

em uma estrutura com ligações rígidas, o que aumenta o tempo de montagem da estrutura e a

torna menos econômica.

2.5.1. Elementos estruturais

A forma dos sistemas estruturais dos edifícios se dá principalmente pelos componentes

estruturais horizontais, sendo eles as vigas principais, secundárias, lajes e painéis. Pelos

sistemas estruturais verticais, os pilares externos, internos e contraventamentos. Temos sempre

que considerar as cargas horizontais de ventos, que sempre impactam no dimensionamento dos

sistemas estruturais.


Y. M. QUEIROZ

Figura 2.10 Componentes estruturais típicos de um edifício.

(Fonte: BELLEI, PINHO, PINHO, 2008)

2.5.2. Sistemas planos de elementos lineares

Os sistemas planos são formados por elementos lineares, sendo eles as barras, vigas, colunas,

tirantes, que serão submetidas a carregamentos pertencentes ao mesmo plano de análise. A ideia

é analisar apenas os esforços e as deformações que acontecem nesse plano, reduzindo o volume

total de cálculo no dimensionamento.

Dentro desses modelos de análise, os mais utilizado é o pórtico plano, que são associações

retilíneas ou curvilíneas com ligações rígidas ou rotuladas entre si, sendo este mais utilizado

em estruturas de edificações. E a grelha plana, que é formada por dois ou mais feixes de vigas

ortogonais ou obliquas entre si, que suportam carregamentos na direção perpendicular ao plano

da grelha. As grelhas são mais usadas em pisos de edifícios e superestruturas de pontes (PFEIL,

PFEIL, 2010).

Figura 2.11 Exemplo de uma sistemas estruturais planos.



Y. M. QUEIROZ

Alguns desses modelos de sistemas, no entanto, exigem as suas próprias peculiaridades, como

por exemplo a Treliça Plana, que é um tipo de pórtico plano em que a estrutura é formada por

barras coplanares articuladas entre si, e submetidas a carregamentos sobre os nós (Dias, 2015).

Figura 2.12 Exemplo de uma treliça plana.

(Fonte: DIAS, 2015)

2.5.3. Sistemas de pórticos para edificações

Os sistemas de pórticos dependem das associações entre as vigas e os pilares, no geral temos

dois tipos de ligações, as ligações rígidas e as flexíveis, são caracterizadas as ligações rígidas

as que transmitem os momentos fletores entre as peças da ligação, e as flexíveis absorvem total

ou parcialmente os momentos fletores.

A estrutura com ligações entre as vigas e pilar flexíveis é estável apenas para as cargas verticais,

sendo sujeita a deslocamentos quando se aplica cargas horizontais, por isso é comumente usual

associar uma subestrutura com uma grande rigidez à flexão, chamado de contraventamento,

para que essa estrutura consiga resistir aos esforços horizontais.

Figura 2.13 Tipos de estruturas de edifícios: (a) pórtico com ligações rígidas entre vigas e

pilares; (b) estrutura com ligações viga-pilar flexíveis.



Y. M. QUEIROZ

As ligações flexíveis são mais simples de serem instaladas e tem menor custo em relação às

rígidas. Mas pelo fato de que é necessário a utilização de subestruturas de contraventamentos,

podendo esses contraventamentos serem paredes rígidas diagramas ou então uma subestrutura

treliçada, acaba gerando uma concentração de forças horizontais nas fundações. Para contornar

esse inconveniente, as diagonais de contraventamento em X podem ser dispostas em K,

conforme a figura 2.14 (PFEIL, PFEIL, 2010),

Figura 2.14 Tipos de treliçado vertical para contraventamento: (a) em X; (b) em K.


2.5.4. Sistemas de pisos para edificações

As estruturas de piso são compostas de vigas principais e secundárias, com a associação de uma

laje de concreto armado. Seu funcionamento é como placa que sofre carregamentos

perpendiculares ao plano que é formado pelas suas duas maiores dimensões.

De acordo com Pfeil, Pfeil (2010) além de transmitir as cargas verticais para as vigas principais,

e por sua vez transmitem essas cargas par aos pilares, o piso também é responsável por distribuir

entre os pilares e as subestruturas de contraventamento as cargas de vento atuantes.


Y. M. QUEIROZ

Figura 2.15 Exemplo do carregamento sobre uma placa.

(Fonte: DIAS, 2015)

As lajes de concreto podem ter a sua execução como sendo moldadas no local e pré-fabricadas.

Os sistemas mais utilizados, o Steel Deck, que é um sistema moldado no loca sobre uma forma

de chapa corrugada de aço, destaca-se por ser uma opção em que a chapa já atua como a

armadura inferior da laje, e serva de plataforma de trabalho, evitando a desmobilização do piso

inferior.

3. AÇÕES NAS ESTRUTURAS

As ações nas estruturas são entendidas como tudo aquilo que provoca tensões e deformações

nos elementos estruturais (CHAMBERLAIN, FICANHA, FABEANE, 2013).

De acordo com as recomendações da NBR 8800:2008 as ações e cargas podem ser classificadas

como permanentes e variaríeis, e no projeto devem ser consideradas na análise da estrutura

todas as cargas significativas, e realizada as devidas verificações nos estados limites últimos e

de serviço.

3.1. Cargas Permanentes

As cargas permanentes são cargas verticais compostas pelo peso próprio da estrutura e pelo

peso dos materiais de acabamento. São as ações que não irão variar durante toda a vida útil da

edificação.


Y. M. QUEIROZ

3.2. Cargas Acidentais

As cargas acidentais são aquelas que podem ou não atuar na estrutura, normalmente os valores

dependem da utilização da edificação.

Segundo BELLEI (2010) em edifícios de porte pequeno, fora de zonas de acúmulo de poeira,

pode-se adotar para sobrecargas de cobertura o valor de 0,15kN/m² (15 Kgf/m²) para cobrir

chuvas, etc.

3.3. Cargas de Vento

A carga devido ao vento é de extrema importância no dimensionamento das estruturas. A NBR

6123:1988 regulamenta os procedimentos para determinar as ações de ventos a serem

consideradas no projeto. Segundo BELLEI (2010), em geral no projeto se determina uma

velocidade máxima do vento, que depende dos fatores:

• Velocidade característica do vento V0;

• Fator Topográfico S1;

• Fator de rugosidade S2;

• Dimensões da edificação;

• Fator estatístico S3;

A velocidade característica do vento, depende da localização considerada do projeto, a norma

de vento, a partir de medições realizadas em todo o território brasileiro, gerou um mapa de

isopletas, conforme visto na Figura 3.1. Por definição da norma, a velocidade característica de

vento é uma rajada de 3 segundos, com ocorrência uma vez a cada 50 anos a 10 metros do

terreno, em campo aberto.


Y. M. QUEIROZ

Figura 3.1 Mapa de Isopletas para o território brasileiro.

(Fonte: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1988)

De acordo com os fatores topográficos, de rugosidade, dimensões da edificação e risco

probabilístico às vidas humanas, são determinados os coeficientes S1, S2 e S3. Através dele se

obtém a pressão característica, e finalmente se encontra a força exercida em cada parte da

edificação.

3.4. Combinações de Ações

As cargas descritas acima podem atuar isoladamente ou combinadas na estrutura, o que

significa que o carregamento na estrutura (Fd) deve ser calculado pela combinação mais crítica

de cargas que podem ocorrer simultaneamente.

Segundo a NBR 8800 (ABNT, 2008) para cada combinação deve-se aplicar a equação 3.1

abaixo, que contempla as cargas permanentes, cargas variáveis principais e as secundárias:

𝐹𝑑 = ∑ (𝛾𝐺𝑖 ∗ 𝐹𝐺𝑖, 𝑘)𝑚𝑖=1 + 𝛾𝑞1 ∗ 𝐹𝑞1, 𝑘 + ∑ (𝛾𝑞𝑗 ∗ 𝜓𝑜𝑗 ∗ 𝐹𝑞𝑗, 𝑘)𝑛𝑗=2 (3.1)


Y. M. QUEIROZ

Onde:

Fd = força; valor de ação;

FGi,k = valores característicos das ações permanentes;

Fq1,k = valor característico da ação variável considerada principal para a

combinação;

Fqj,k = valores característicos das ações variáveis que podem atuar

concomitantemente com a ação variável principal;

γg = coeficiente de ponderação das ações permanentes;

γq = coeficiente de ponderação das ações variáveis;

ψo = fator de combinação.

As tabelas 3, 4 e 5 trazem os valores desses coeficientes dados pela norma, para as diferentes

combinações.

Tabela 3 Propriedades Mecânicas de Aços-carbonos.


Tabela 4 Valores de coeficientes de ponderação das ações permanentes.


Peso próprio de

estruturas

metálicas

Peso próprio de

estruturas pré-

moldadas

Peso próprio de estruturas

moldadas no local e de

elementos construtivos

industrializados e empuxos

permanentes

Peso próprio de

elementos construtivos

industrializados com

adições in loco

Peso próprio de

elementos

construtivos em geral

e equipamentos

1,25 1,3 1,35 1,4 1,5

1,00* 1,00* 1,00* 1,00* 1,00*

* Valores correspondentes aos coeficientes para as ações permanentes favoráveis para à segurança.

Combinações

Normais

Ações Permanentes (γg)

Efeitos da

temperaturaAção do Vento

Ações

Truncadas

Demais ações variáveis,

incluindo as decorrentes

do uso e ocupação

Normais 1,2 1,4 1,2 1,5

Ações Variáveis (γq)

Combinações


Y. M. QUEIROZ

Tabela 5 Valores do valor ψo.


3.5. PEÇAS TRACIONADAS

As peças tracionadas são aquelas que estão sujeiras aos esforços axiais, ou tração simples. Na

estrutura elas aplicadas sob diversas formas, podendo estar nos tirantes, nos contraventamentos,

no travamento de vigas e colunas, conforme imagem 3.2.

Figura 3.2 Elementos tracionados na estrutura.


ψo

Locais que não há predominancia de pesos e de

equipamentos que permanecem fixos por longos periodos

de tempo, nem de elevadas concetrações de pessoas

0,5

Locais que há predominancia de pesos e de

equipamentos que permanecem fixos por longos periodos

de tempo, nem de elevadas concetrações de pessoas

0,7

Bibliotecas, arquivos, depóstivos, oficinas, garagens e

sobrecargas em estruturas0,8

Vento Pressão dinâminca nas estruturas em geral 0,6

Ações

Ações variáveis causadas

pelo uso e ocupação


Y. M. QUEIROZ

Os tipos de perfis utilizados são geralmente os perfis laminados simples e compostos, com as

ligações nas extremidades ou em outras partes da estrutura podendo ser soldados, com

conectores aplicados em parafusos e com rosca e porca para barras rosqueadas.

Nas peças tracionadas com a variação da aplicação da carga, aparecem deformações em forma

de alongamento da peça e diminuição da área da seção transversal, e dependendo da intensidade

dessa carga, a peça pode vir a ruir por ter atingido o seu limite de escoamento

3.6. PEÇAS COMPRIMIDAS

Por definição uma coluna é uma peça vertical sujeita à compressão centrada. E diferente os

esforços de tração, que tendem a alongar as barras, a compressão retifica as peças, aumentando

o seu raio de curvatura inicial, gerando deslocamentos laterais conhecidos como flambagem. A

flambagem depende da esbeltes da chapa, que por definição é uma função da razão do

comprimento pela espessura da peça.

As peças sujeitas a compressão em uma estrutura são os pilares, os sistemas de

contraventamento e alguns componentes das treliças.

Figura 3.3 Colunas e seu exemplo de flambagem.



Y. M. QUEIROZ

3.7. LIGAÇÕES

A ligação é a união entre duas ou mais peças ou membros da estrutura. Tem que se tomar um

cuidado com o processo executivo pois a ligação representa a segurança da construção. Este é

um ponto que deve ser analisado cautelosamente, pois o custo da obra pode ser elevado caso

escolha a execução de ligações mais complexas.

A escolha do tipo de ligação deve ser estudada levando em conta, o tipo de montagem da

estrutura, pois dependendo da dificuldade de execução pode provocar atrasos, defeitos e

acidentes durante a união das peças.

3.7.1. Ligações parafusadas

As ligações que são feitas na montagem final de campo das estruturas, e nas fábricas podem ser

com a utilização de parafusos, trazendo maior rapidez na execução das ligações no campo,

reduzindo o consumo de energia, a utilização de mão de obra não muito qualificada e uma

melhor resposta às tensões de fadiga.

Os parafusos possuem uma extremidade com a cabeça quadrada ou sextavada, e a outra com

uma rosca e porca, sendo instalados por torção entre a porca e a rosca, gerando atrito entre as

peças que se deseja conectar e trabalham comumente sobre tensões de cisalhamento e/ou tração

(PFEIL, PFEIL 2010).

Já os parafusos de alta resistência, são empregados quando se necessita de transmitir altas

cargas entre as peças, e são fabricados de aço carbono com um tratamento térmico, o tipo mais

comum é o de aço ASTM A325, os esforços entre as barras são transmitidos pelo atrito causado

pela pressão exercida entre as partes ligadas. Estes parafusos são apertados de tal maneira que

a tensão de tração produz um extremo atrito entre as peças ligadas, estão sempre trabalhando

na sua resistência última, para um melhor aproveitamento do sistema (DIAS, 2015).


Y. M. QUEIROZ

3.7.2. Ligações soldadas

A soldagem é a técnica de unir duas ou mais peças, assegurando a continuidade do material, e

por consequência as suas características mecânicas e os esforços que ela está sujeita, essa

ligação se dá pela fusão das duas partes pelo eletrodo, que é o material responsável por unir e

transmitir as tensões entre as duas peças.

De acordo com Bellei (2010), na execução da solda é extremamente importante a escolha de

um material adequado ao tipo dos metais base que serão unidos. No processo, um gerador

produz a corrente necessária para a obtenção de um arco elétrico entre o eletrodo e as partes,

esse arco faz a fusão das três partes. O seu processo executivo está indicado na Figura 3.4.

Figura 3.4 Diagrama esquemático da soldagem.

(Fonte: BELLEI, 2010)

De acordo com Bellei (2010), “a primeira grande vantagem do uso da solda está na economia

do material, porque o uso de soldagem permite o aproveitamento total do material (área liquida

= área bruta). As estruturas soldadas permitem eliminar uma grande percentagem de chapas de

ligação em relação às estruturas parafusadas”.

Para a execução de uma boa solda, é necessário estabelecer bons procedimentos de soldagens,

utilizar uma mão de obra qualificada, a definição exata do projeto da solda, e uma inspeção

bem realizada para diminuir os possíveis erros. Deve ser realizado também, antes do início da

solda, a limpeza da junta, e o seu posicionamento, o pré-aquecimento do metal base, a definição

da sequência de soldagem e o tratamento da raiz. Todas as recomendações técnicas estão

constando na NBR 8800:2008 e na AWS D1.1/D1.1M:2010


Y. M. QUEIROZ

3.7.3. APOIOS

No contexto das edificações, são encontrados diversos tipos de ligações, conforme mostrado na

imagem 3.5, sendo elas ligações entre as vigas, entre as vigas e as colunas, nas emendas das

colunas e das vigas, nas ligações do contraventamentos e das ligações dos pilares com a

fundação.

Figura 3.5 Ligações em edificações.


No projeto das estruturas metálicas deve-se atentar à ligação do pilar com a fundação, pois o

comportamento da estrutura está diretamente ligado nesse sistema de fixação.

Em geral os pilares são fixados às fundações através das placas de base e dos chumbadores. As

placas de base distribuem a carga do pilar em uma determinada área do bloco da fundação, e os

chumbadores servem para ficar essa base ao bloco da fundação, de modo que o sistema

estrutural adorado seja respeitado.

As ligações entre o pilar e da fundação podem ser rotuladas, em que seu dimensionamento é

feito de modo a resistir às cargas horizontais e verticais, mas sem levar esforços de momentos

para as fundações, e engastadas, que dão à estrutura uma maior rigidez às deformações laterais.

A figura 3.6 e 3.7 mostra alguns exemplos de bases rotuladas e engastadas.


Y. M. QUEIROZ

Figura 3.6 Bases rotuladas.


Figura 3.7 Bases engastadas.



Y. M. QUEIROZ

4. METODOLOGIA

Para a realização deste projeto, foi utilizada a metodologia indicada no fluxograma da imagem

4.1:

Figura 4.1 Fluxograma da metodologia do projeto

Tendo sido definidos os aspectos espaciais do Edifício de acordo com o Apêndice D do Livro

Edifícios de Múltiplos Andares em Aço 2 Edição, como o seu comprimento total, sua largura,

a altura total, o espaçamento entre as colunas, pé direito e o total de pavimentos, de acordo com

a NBR 8800:2008 – Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de

edifícios. As cargas a serem consideradas na estrutura, como o peso próprio e carga acidental

foram dimensionadas de acordo com a NBR 6120:1980 - Cargas para o cálculo de estruturas


Y. M. QUEIROZ

de edificações. Já as cargas de vento tiveram o seu cálculo feito em conformidade com a NBR

6123:1988 - Forças devidas ao vento em edificações.

4.1. Caracterização do edifício e dados inseridos

Edifício em estrutura metálica formado por perfis em chapa I, as características estão descritas

na tabela 6 a seguir:

Tabela 6 Detalhes Geométricos da Estrutura

(Fonte: Adaptado de Bellei, Pinho, Pinho, 2008)

Os materiais utilizados, assim como as suas resistências características estão descritos na

tabela 7 a seguir:

Tabela 7 Especificações dos Materiais

Especificações dos materiais

Aço das Estruturas ASTM A572 G50 Fy = 34,5 kN/cm²

Aço dos Chumbadores SAE-1020 Fy = 21 kN/cm²

Concreto da Laje C25 Fck = 2,0 kN/cm²

Solda Eletrodo E-70XX Fu = 49,2 kN/cm/²

Parafusos ASTM A325 Dmin = 19mm (3/4")


Sistema Estrutural

Transversal Quadro Rígido nos eixos 1 e 6 (engastado), os demais rotulados

Longitudinal Contraventamentos verticais entre os eixos 3 e 4, filas B e C

Dados Gerais do Edifício

Comprimento 30 metros

Largura 18 metros

Altura 25 metros

Espaçamento entre Colunas 6 metros

Pé direito 3 metros

Número de Pavimentos 8


Y. M. QUEIROZ

As cargas permanentes, acidentais nos pavimentos, e nos poços de elevador e de escada,

juntamente com as cargas de vento utilizadas estão descritas nas tabelas 8, 9, 10 e 11 a seguir:

Tabela 8 Cargas Permanentes nos Pavimentos

Cargas Permanentes nos Pavimentos

Pavimento Carga (kN/m²) Carga (T/m²)

Caixa d'Água 21,38 2,138

Cobertura 4,92 0,492

7 pavimento 4,42 0,442








Tabela 9 Cargas Acidentais nos Pavimentos

Cargas Acidentais nos Pavimentos

Pavimento Carga (kN/m²) Redução da Carga (%) Carga Final (kN/m²) Carga (T/m²)

Caixa d'Água 0,5 0% 0,5 0,05

Cobertura 0,5 0% 0,5 0,05

7 pavimento 2 0% 2 0,2

6 pavimento 2 10% 1,8 0,18

5 pavimento 2 20% 1,6 0,16

4 pavimento 2 30% 1,4 0,14

3 pavimento 2 40% 1,2 0,12

2 pavimento 2 50% 1 0,1

1 pavimento 2 50% 1 0,1



Y. M. QUEIROZ

Tabela 10 Cargas Acidentais nos Poços de Elevador e Escada

Cargas Acidentais no Poço de Elevador e Escada

Pavimento Carga (kN/m²) Redução da Carga (%) Carga Final (kN/m²) Carga (T/m²)

Caixa d'Água 0 0% 0 0

Cobertura 10,5 0% 10,5 1,05

7 pavimento 3 0% 3 0,3

6 pavimento 3 10% 2,7 0,27

5 pavimento 3 20% 2,4 0,24

4 pavimento 3 30% 2,1 0,21

3 pavimento 3 40% 1,8 0,18

2 pavimento 3 50% 1,5 0,15

1 pavimento 3 50% 1,5 0,15


Tabela 11 Cargas de Vento na estrutura

Cargas de Vento na Estrutura

Coeficiente de Arrasto Frontal 1

Coeficiente de Arrasto Lateral 1,3

Pressão Dinâmica

Altura (m) Carga (kN/m²) Carga (T/m²) Carga Frontal (kN/m²) Carga Lateral (kN/m²)

5 0,43 0,043 0,043 0,056

10 0,52 0,052 0,052 0,068

15 0,58 0,058 0,058 0,075

20 0,62 0,062 0,062 0,081

30 0,69 0,069 0,069 0,090


Após serem definidos os modelos estruturais e as cargas atuantes, foi feita a inserção dos

pórticos da edificação, utilizando as combinações de cargas no software de cálculo estrutural

Cype3D® 2016, obtendo todo o dimensionamento dos elementos estruturais do edifício.

4.2. Abordagem via Cype3D®

De acordo com o manual do usuário, o Cype3D® calcula estruturas tridimensionais definidas

com elementos tipo barras e placas no espaço e nós na intersecção das barras utilizando os


Y. M. QUEIROZ

métodos previstos pela NBR 8800:2008 utilizando os conceitos de estados limites últimos

(ELU) e estados limites de serviço (ELS).

Os ELU estão relacionados com a segurança da estrutura, frente aos carregamentos máximos a

que está sujeita durante toda a sua vida útil, já os ELS estão relacionados com os requisitos de

desempenho da estrutura, não ultrapassando os deslocamentos máximos permitidos, por

exemplo.

As cargas podem ser aplicadas nas barras e nos nós em qualquer direção, já nas placas e nos

panos as cargas incidem perpendicularmente à superfície. O software considera um

comportamento elástico e linear dos materiais e as barras definidas são elementos lineares.

A partir da geometria da estrutura e cargas introduzidas, o programa gera a matriz de rigidez da

estrutura, assim como as matrizes de cargas por ações simples. Invertendo a matriz de rigidez

por métodos frontais, se obtém a matriz de deslocamentos dos nós da estrutura.

Depois de achar os deslocamentos por ação, calcula-se todas as combinações para todos os

estados e os esforços em qualquer secção a partir dos esforços nos extremos das barras e as

cargas aplicadas nas mesmas.

O programa verifica e dimensiona as barras da estrutura segundo critérios estabelecidos em

cada norma e para cada material (aço, madeira e alumínio) (CYPE INGENIEROS, 2015).

Na análise e dimensionamento estrutural, o programa Cype3D® considera automaticamente os

efeitos de segunda ordem. Esses efeitos ocorrem quando as ações horizontais que atuam na

estrutura causam um pequeno deslocamento da verticalidade dos pilares, gerando um momento

em relação à base do pilar (efeito P-delta) devido às cargas verticais atuantes (peso próprio e

sobrecarga), que tem como consequência um acréscimo nas ações horizontais da estrutura.

Foi feito o dimensionamento o dimensionamento ótimo dos perfis, neste caso o programa

selecionou automaticamente o perfil ótimo que cumpra todas as verificações dos estados limites

últimos, em que é verificado se a solicitação de cálculo é menor do que a resistência de projeto,

e as verificações dos estados limites de serviço, em que é verificado se as flechas de calculo são

menores dos que os valores estabelecidos por norma (conforme tabela C-1 – Deslocamentos

máximos presente na NBR 8800:2008).

Após a obtenção de todos os perfis, realizou-se o levantamento da quantidade de material para

as duas alternativas de dimensionamento, verificando qual das alternativas é a mais econômica

em termos do consumo total de aço.


Y. M. QUEIROZ

5. ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÃO

O estudo realizado se baseia no dimensionamento que os autores Bellei, Pinho e Pinho

propuseram com base na NBR 8800:2008, no Apêndice D do Livro Edifícios de Múltiplos

Andares em Aço 2 Edição. Após o dimensionamento, se obteve um peso total de aço calculado

de aproximadamente 166.144,0 Kg, A caracterização do edifício está representada na imagem

5.1.

Figura 5.1 Características do Edifício analisado

(BELLEI; PINHO; PINHO, 2008)

A razão entre peso total da estrutura (166.144 kg) e a sua área estruturada (4.392 m²), resulta

em uma taxa de 37,8 kg/m² de acordo com o cálculo realizado no Apendice D.


Y. M. QUEIROZ

5.1. Resultados via Cype3D®

Com os dados da geometria do edifício definidos na seção 4.1 realizou-se o dimensionamento

e análise dos elementos da estrutura do edifício utilizando o Cype3D®. Inicialmente foi inserido

apenas perfis genéricos tipo I da menor seção existente no software, obtendo um pórtico

conforme figura 5.2 a seguir:

Figura 5.2 Estrutura do edifício

Após informar todos os dados de entrada, como as cargas permanentes, acidentais e de vento,

fez-se o processamento dos componentes. Com isso o software realizou o dimensionamento

ótimo de cada perfil inserido, seguindo o princípio de escolher os perfis mais leves que atendam

os E.L.U. e E.L.S.

Uma das análises realizadas foi verificar se as condições de vinculações internas e externas

seguiam o que foi proposto na metodologia, verificando os diagramas de momento fletor da

estrutura. No sistema estrutural adotado apenas nos eixos 1 e 6 a estrutura está engastada, todas

as outras vinculações internas estão rotuladas, a figura 5.3 a seguir mostra o diagrama de

momento fletor para o eixo B da estrutura, mas essa hipótese se repetiu para todos os outros

eixos.


Y. M. QUEIROZ

Figura 5.3 Diagrama de momento fletor para o eixo B

Em alguns casos o software adota perfis diferentes para elementos que estão em sequência, o

que gera erro nas ligações, portanto é necessário alterar os perfis para resolver os erros

encontrados nas ligações, um exemplo desse problema está demonstrado na imagem 5.4 a

seguir:


Y. M. QUEIROZ

Figura 5.4 Diferentes tipos de perfis em uma viga

Após a resolução dos conflitos, os elementos da estrutura são representados pelas cores verdes

e vermelhas, as cores verdes representam que os elementos estão dimensionados e atendem

todas as especificações de segurança e desempenho estrutural, conforme podemos identificar

nas figuras 5.5 e 5.6 a seguir:

Figura 5.5 Perfis que não atendem aos ELU e ELS


Y. M. QUEIROZ

Figura 5.5 Ligações que não atendem aos ELU e ELS

As verificações do Estado Limite Último foram feitas pelo software, e em nenhuma das barras

a tensão atuante de cálculo foi maior que a resistente.

As plantas de locação, plantas baixas dos pavimentos, vista 3D da estrutura, detalhes das

principais ligações e das placas de base estão apresentadas no Anexo A deste trabalho.

5.2. Resumo dos Materiais

Após o dimensionamento feito pelo software, foi possível quantificar o consumo de aço obtendo

o peso global da estrutura, que inclui os perfis, as ligações e os sistemas de contraventamento.

A tabela 12 a seguir faz um resumo de materiais e o peso global da estrutura.


Y. M. QUEIROZ

Tabela 12 Tabela resumo dos materiais obtido pelo Cype3D®

O resumo dos materiais obtidos pelo dimensionamento feito no Anexo D do livro dos

Professores ldony, Fernando e Mauro, está detalhado na tabela 13 a seguir:

Tabela 13 Tabela resumo dos materiais obtido pelo Anexo D da metodologia


Tipo Designação

Aço Laminado A-572 345MPa I 3307,909 488 17,613 138262,82

Chapas A-572 345MPa - - 285 - 984,95

Enrijecedores A-572 345MPa - - 110 - 3679,84

Parafusos ASTM 325MPa - - 1257 - -

Porcas Classe 8S - - 1257 - -

Anilhas Tipo 1 - - 2514 - -

Placas de Base A36 - 250 MPA - - 24 - 1435,45

Enrijecedores Passante A36 - 250 MPA - - 48 - 201,65

Enrijecedores não passante A36 - 250 MPA - - 48 - 25,45

Parafusos de AncoragemISO 898.C4.6 (liso) - - 96 - 334,73

Solda E60XX - 15,748 - - -

Solda E70XX - 589,128 - - -

144924,89

Peso (kg)

Resumo de Ferro

Peso Total Calculado

MaterialVolume (m³)Comprimento Total (m)Perfil Quantidade

Tipo Designação

Aço Laminado A-572 345MPa I 3337,064 532 147721,8

Aço Laminado A-572 345MPa I 558 72 3282,9

Vigas Inclinadas A-572 345MPa I 323,2 192 5734,7

Chapa SAE-1020 - - 472 3525,7

Porca Classe 8S - - 96 38,4

Parafusos ASTM 325M - - 64 320,6

Arruela ASTM 325M - - 64 6,4

Chapas de Reforço A36 - 250 MPA - - 384 1288,7

Chapas de Ligação A36 - 250 MPA - - 974 2034,0

Conectores de Cisalhamento A36 - 250 MPA - - 1064 1394,0

Parafusos - Vigas e Contraventamentos ASTM 325M - - 2656 796,8

166144,0Peso Total Calculado

MaterialPerfil Comprimento Total (m) Quantidade Peso (kg)

Resumo de Ferro


Y. M. QUEIROZ

5.3. Comparativo do Consumo de Aço

Com o resumo do quantitativo de materiais utilizados nos dois dimensionamentos apresentados,

é possível fazer uma análise comparativa. A tabela 14 traz o peso total de aço dos pórticos para

as duas metodologias, o peso global, a taxa de consumo dos pórticos e a taxa de consumo global.

Tabela 14 Resultados: peso e taxa de consumo de aço

Analisando as metodologias é possível observar que o dimensionamento feito pelo software

Cype3D® teve uma taxa de consumo global de 33,27 kg/m², enquanto que o dimensionamento

realizado pelos Professores ldony, Fernando e Mauro teve uma taxa de consumo global de 37,83

kg/m². A diferença de consumo foi de 12,1%, o que representa uma economia considerável

quando se adota um dimensionamento automático feito por um software.

MetodologiaPeso do pórtico

(kg)

Peso global da

estrutura (kg)

Taxa de consumo dos

pórticos (kg/m²)

Taxa de consumo

global (kg/m²)

CYPE3D 138.262,82 144.924,89 31,74 33,27

Apendice D 156.739,40 166.144,00 35,69 37,83

Diferença (%) 11,8% 12,8% 11,1% 12,1%

Resultados Obtidos


Y. M. QUEIROZ

6. CONCLUSÃO

As estruturas metálicas possuem um grande destaque no mercado da construção civil, seja ele

em edificações comerciais e industriais. Ela se destaca pela rapidez na execução, eficiência

estrutural, minimização de resíduos e capacidade de reaproveitamento dos materiais após o fim

de sua vida útil. Levando em consideração esses fatores e o crescente avanço da tecnologia na

área de estruturas, este trabalho se baseou em comparar o consumo de aço de uma determinada

geometria feito com cálculos manuais com um cálculo automático feito por intermédio de um

software, o Cype3D®.

Todo o processo de lançamento da estrutura, juntamente com a análise global do edifício requer

um certo tempo para serem feitos, porém este tempo ainda é menor quando comparado com

uma análise feita manualmente com uma folha de papel, provavelmente seriam gastos dias para

desenhar todos os diagramas das barras na estrutura. O próprio software já apresenta todos os

diagramas de momentos fletores, cortante e normais com um simples clique do mouse.

Ao analisar as duas metodologias, observou-se que o cálculo efetuado por intermédio do

software Cype3D® obteve um melhor desempenho do que o cálculo manual. Desempenho esse

que pode ser quantificado com um menor consumo de aço para a estrutura, gerando uma

economia de 12,1%, o que ocasiona em uma estrutura mais leve, com menores esforços devido

ao peso próprio da estrutura. Porém este estudo está baseado apenas no quantitativo total de

aço, e sugere-se a realização de mais estudos para atestar a real economia desta solução frente

ao preço global da obra.

Para finalizar este trabalho mostra uma nova perspectiva dos softwares de análise e

dimensionamento estruturais automáticos, que trazem reais benefícios para o engenheiro

calculista, como o rápido tempo de cálculo, a possibilidade de fazer várias análises dos sistemas

estruturais e alterá-los para se obter um melhor resultado. Podendo destacar também uma maior

precisão nos cálculos, uma maior segurança no processo de dimensionamento devido a

possibilidade de fazer várias análises para várias combinações pré-estabelecidas nas normas

regulamentadoras.

Apesar de parecerem simples de operar, o uso do software requer um estudo de sua

funcionalidade e sua utilização consiste apenas em auxiliar as atividades do engenheiro com os

cálculos, devendo este ter consciência das limitações dos softwares e sabedoria para aproveitar

ao máximo as suas aplicações.


Y. M. QUEIROZ

ANEXO A

PROF. DR. ARIOVALDO FERNANDES 01

DATA:

NOV/2018

INF.::

VISTA 3D - GERAL

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

1 / 28

EDIFICIO DE 8 PAVIMENTOS

ALUNO:

YAGO MARTINS QUEIROZ

ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

VISTA - EIXO A

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

2 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

VISTA - EIXO B

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

3 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

VISTA - EIXO C

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

4 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

VISTA - EIXO D

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

5 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

VISTA - EIXOS 1 e 2

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

6 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

VISTA - EIXOS 3 e 4

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

7 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

VISTA - EIXOS 5 e 6

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

8 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

9 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

10 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

11 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

12 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

13 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

14 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

15 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

16 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

PLANTA BAIXA - COBERTURA

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

17 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

18 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

19 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

20 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

21 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

22 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

23 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

24 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

25 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:


DATA:

NOV/2018

INF.::

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

26 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:

PLACAS DE BASE - Escala: Indicada


DATA:

NOV/2018

INF.::

DETALHES - PLACAS DE BASE

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

27 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:



DATA:

NOV/2018

INF.::

DETALHES - PLACAS DE BASE

ESCALA:

INDICADA

FOLHA:

28 / 28


ALUNO:


ORIENTADOR:



Y. M. QUEIROZ

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ABNT ___________. NBR 5884: Perfil I estrutural de aço soldado por arco elétrico —

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Janeiro, 1980.

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de Janeiro, 1988.

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Janeiro, 2003.

ABNT ___________. NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e

concreto de edifícios. Rio de Janeiro, 2008.

ABNT ___________. NBR 14762: Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por

perfis formados a frio. Rio de Janeiro, 2010.

AWS ____________. D1.1/D1.1M: Código de soldagem estrutural – Aço. Miami, 2010.

BELLEI, I.H. Edifícios industriais em aço. 6.ed. São Paulo: PINI, 2010.

BELLEI, I.H.; PINHO, F.O.; PINHO, M.O. Edifícios de múltiplos andares em aço. 2.ed. São

Paulo: PINI, 2008.

CHAMBERLAIN, Z.M.; FICANHA R.; FABEANE, R. Projeto e cálculo de estruturas de

aço: Edifício industrial detalhado. Rio de Janeiro: Elsevier, 2013.

CYPE INGENIEROS, S.A. Memória de Cálculo - Cype 3D. Braga, 2015.

DIAS, L.A.M. Estruturas de aço: Estruturas de aço: Conceitos, técnicas e linguagem. 11.

Reimpressão. São Paulo: Zigurate Editora, 2015.

KIMURA, A. Informática aplicada a estruturas de concreto armado / Alio Kimura. – 2. Ed.

Ampl. E atual -- São Paulo: Oficina de Textos, 2018.

MACIEL, Elton F., ROCHA, Ricardo A. A utilização dos perfis metálicos na construção

civil. MBA Empresarial – Consórcio 2 / 2002. Fundação Dom Cabral, Belo Horizonte, 2003.

PFEIL, W; PFEIL, M. Estruturas de aço: dimensionamento prático segundo a NBR

8800:2008. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010.

projeto de edifÍcio em estrutura metÁlica...

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